6-2 - Comprendre les flux de chaleur par transmission (V2016)

Le sommaire des infos et concepts des maisons passives
Le contrôle des flux de chaleur est obligatoire

Aucune construction dans laquelle le confort doit être maîtrisé ne peut être conçue sans isolation de la totalité de ses parois opaques et vitrées. Le rôle des isolants est, non seulement, de minimiser les flux de chaleur sortant de l’intérieur confortable vers l’extérieur trop froid en hiver mais, également, de réduire fortement le flux de chaleur entrant de l’extérieur trop chaud vers l’intérieur confortable pendant toute la saison estivale. L'isolation assure une partie du confort et réduit les échanges de chaleur toute l'année. Le concept Maison passive est d’ailleurs, entre autres, mais de manière essentielle, basé sur la qualité de cette isolation avec le minimum de pont thermique puisque, contrairement à la RT2012, le concept est principalement basé sur la limitation des besoins de chauffage et éventuellement de climatisation.


Petit rappel sur les bilans thermiques

Une situation n'est confortable que si la température est suffisante et constante. Une température suffisante implique le recours à l'énergie pour amener la température initiale à celle souhaitée. Une température constante implique que les pertes et gains de chaleur s’équilibrent en permanence. Les besoins de chaleur ou de climatisation permettent de conserver cet équilibre.

Besoins = Pertes - Apports

Dans cette formule, tel que précisé dans l'article "Les bilans thermiques", les pertes proviennent des phénomènes de transmission ainsi que de la ventilation contrôlée et parasite. Les déperditions par transmission au travers des parois et des ponts thermiques sont la conséquence des phénomènes physiques de conduction, convection et rayonnement. Elles sont largement dominantes et doivent donc être traitées en priorité. Afin de les quantifier pour établir le bilan thermique le plus réaliste possible, mais aussi pour déterminer les actions les plus efficaces et les plus rentables, il est au préalable essentiel et indispensable de comprendre le fonctionnement des flux de chaleur et donc de connaître les propriétés des matériaux qui entrent en jeu.


Les caractéristiques thermiques des matériaux

Certaines caractéristiques thermiques des matériaux sont typiques de chacun d'eux. Sauf à agir sur le matériau lui-même, elles sont immuables. Dans le cas de la transmission des flux de chaleur, la seule propriété de ce type qui intervienne est la conductivité thermique notée λ (Lambda) et exprimée en W/mK (Watt par m Kelvin). Plus la conductivité d'un matériau est élevée et plus il transmet facilement la chaleur. Inversement, plus la conductivité est faible et plus il est isolant. Le flux de chaleur qui traverse un matériau est proportionnel à sa conductivité. Une conductivité deux fois plus importante doublera la quantité de chaleur transmise par le matériau.

D'autres caractéristiques des flux de chaleur varient en fonction de la mise en œuvre des matériaux et sont donc adaptables en fonction des besoins. Ces matériaux sont la plupart du temps, notamment dans le domaine de la construction, utilisés sous forme de paroi plane. Les flux de chaleur qui les traversent sont dépendants de l'épaisseur de la paroi et de sa surface d'échange.

  • Plus l’épaisseur de la paroi notée e et exprimée en m, est importante et moins il conduit le flux de chaleur. Le flux de chaleur entre les deux faces d'un matériau est inversement proportionnel à l'épaisseur du matériau.
  • Plus la surface d’échange de la paroi, notée A pour aire et exprimée en m2, est vaste et plus la transmission de chaleur est forte. Le flux de chaleur entre les deux faces d'un matériau est proportionnel à la surface d'échange. Une surface deux fois plus vaste doublera la quantité de chaleur transmise.
D'autres caractéristiques thermiques sont calculées et découlent de celles précédemment citées. Celles qui proviennent uniquement de paramètres spécifiques sont également typiques des matériaux et immuables. En liaison avec la chaleur spécifique et la masse volumique qui sont des propriétés spécifiques, la conductivité permet de définir l'effusivité et la diffusivité.
  • L’effusivité qui définit l’inertie par absorption représente la capacité d’un matériau à stocker ou déstocker rapidement une grande quantité d’énergie thermique lorsque la température évolue
  • La diffusivité qui définit l’inertie par transmission caractérise la vitesse à laquelle un matériau est susceptible de transmettre une variation de température
Les autres caractéristiques dépendent de leur mise en œuvre :
  • La résistance thermique R exprimée en m2.K/W et
  • Le coefficient de transmission thermique U, anciennement et parfois encore notée K, exprimé en W/m2.K.

Les termes utilisés pour ces deux dernières propriétés sont particulièrement explicites. La résistance thermique d’une paroi caractérise sa capacité à résister au transfert de chaleur de sa face chaude vers sa face froide. Le coefficient de transmission thermique d’un matériau caractérise, au contraire, sa facilité à la conduire dans la même direction. Résistance et coefficient de transmission thermique sont définis comme étant l’inverse l’un de l’autre. Plus un matériau est conducteur moins il est résistant et inversement.

R = 1 / U

À l’image de notre expérience au quotidien, dans le choix de nos vêtements par exemple, il est aisé de comprendre que plus un matériau est épais, et plus il peut résister au passage de la chaleur. La conductivité produit un résultat inverse. Par sa simple définition, on ne peut que comprendre que plus un matériau est conducteur et moins il résiste au transfert de chaleur. Les expériences et les mesures montrent que la résistance thermique par conduction augmente proportionnellement à l’épaisseur du matériau et diminue proportionnellement à sa conductivité. Si par exemple, l’épaisseur d’un matériau double, sa résistance thermique par conduction double. Si sa conductivité double, sa résistance est divisée par deux. La résistance d’un matériau est donc calculée par la formule :

R = e / λ

Comme déjà précisé, le coefficient de transmission thermique U exprime exactement l’inverse de la résistance. Il peut donc être formulé en temps qu’inverse de R comme ci-après :

U = 1 / R = λ / e

Plaquer deux couches de même épaisseur et de même matériau l’une sur l’autre produit le même effet que doubler l’épaisseur. Dans ce cas, les résistances thermiques s’ajoutent. L’expérience montre que c’est toujours le cas lorsque les matériaux et les épaisseurs sont différents. La résistance globale d’un groupe de matériaux est donc égale à la somme des résistances thermiques de chacun :

Rm = R1 + R2 + … +Rn

Contrairement aux résistances, les coefficients de transmission thermique ne s’ajoutent pas. Il est en effet facile de comprendre que si deux matériaux sont accolés, les déperditions totales ne sont pas la somme des déperditions de chaque couche et que, au contraire, elles sont fortement réduites puisque deux couches de matériaux sont nécessairement plus résistantes qu’une seule. Comme les résistances s’ajoutent et que le coefficient de transmission thermique est par définition son inverse, le calcul du coefficient de transmission thermique global de plusieurs couches de matériaux doit être réalisé en utilisant la formule ;

Um = 1 / Rm

Dans les formules précédentes, il est seulement fait référence à la conductivité thermique et donc aux déperditions de chaleur par conduction. Dans la réalité les déperditions ont également lieu par convection et rayonnement. Une paroi qui chauffe augmente en effet la température de l’air qui est à son contact et la refroidit. L’air chaud, plus léger que l’air froid, monte en altitude par convection et est remplacé par de l’air plus froid qui va se réchauffer à son tour et reproduire le cycle. Ce phénomène sans fin augmente les déperditions d’énergie de chaque côté de la paroi et augmente donc le coefficient de transmission thermique. Une paroi qui chauffe produit également des rayonnements infrarouges. Elle les produit du côté de l’ambiance chaude où ils sont récupérés en partie mais aussi du côté de l’ambiance froide où ils sont perdus. Ce phénomène augmente également les déperditions et donc le coefficient de transmission thermique.

Les déperditions entre les ambiances chaudes et froides d’une paroi
ont lieu par conduction, convection et rayonnement

Les déperditions par convection et rayonnement sont très faibles par rapport aux déperditions par conduction mais elles ne sont pas nulles. Elles peuvent même être particulièrement importantes dans le cas des vitrages qui sont très fin et dont le matériau, le verre, est relativement conducteur. Les vitrages feront l'objet d'un article spécifique. Au regard des faibles écarts de température de nos plages de confort, on considère que ces déperditions sont constantes et uniquement variables en fonction du sens du flux de chaleur et du niveau de renouvellement d’air de chaque coté des parois. Les résistances thermiques correspondant à ces déperditions sont fixées par la règlementation thermique tel qu'indiqué dans la tableau ci-après.

Les infos et concepts Maison Passive

Comme les résistances thermiques s’ajoutent, la résistance globale d’une paroi notée Rp est la somme des résistances de chacun des matériaux qui la compose ainsi que des résistances superficielles intérieures et extérieures

Rp = Rsi + Rm + Rse

Le coefficient de transmission thermique global de la paroi Up est simplement l'inverse de la résistance globale ci-avant soit :


Up = 1 / Rp

Les déperditions par transmission au travers des parois opaques

Les déperditions d'une paroi dépendent tout autant de sa qualité thermique, définie globalement par son coefficient de transmission thermique, que de sa surface et des différences de température entre l'intérieur et l’extérieur. Les expériences montrent que les déperditions par transmission au travers d'une paroi Qp sont proportionnelles :

  • au coefficient de transmission de la paroi Up exprimé en W/m2.K
  • à la surface de la paroi A exprimée en m2
  • à un coefficient noté bt qui caractérise une réduction des déperditions du fait de la présence d'un autre local, ou du sol par exemple
  • au cumul horaire des différences de températures entre l'intérieur et l'extérieur appelé degré-heures, noté Gt et exprimé en kKh/an (kilo Kelvin Heures par an)

Qp = A * Up * bt * Gt


Les déperditions par transmission au travers des parois transparentes

Les vitrages obéissent aux mêmes lois de la physique que les parois opaques. Les mêmes calculs s'appliquent donc à la quantification de leurs déperditions par transmission.

Leur transparence leur confère toutefois d'autres caractéristiques spécifiques notamment en terme d'apports solaires qui contrebalancent leurs pertes et inversent parfois leur bilan thermique global. Elles seront abordées dans un article qui leur sera dédié.


Les ponts thermiques

Un pont thermique est une variation de la structure de l’enveloppe du bâtiment
qui provoque une modification du flux thermique

Cette simple définition sous-entend qu'un pont thermique peut provoquer tout aussi bien une augmentation qu'une réduction des flux de chaleur et donc des déperditions.

Dans une construction, les jonctions entre parois sont très courantes, parfois avec des matériaux identiques mais souvent avec des matériaux différents. C'est, par exemple, fréquemment le cas à la jonction des planchers et des murs. Ces jonctions sont la cause de ponts thermiques linéiques qui peuvent augmenter considérablement les déperditions globales d'un bâtiment s'ils ne sont pas traités correctement. C'est aussi le cas de nombreux systèmes de fixation qui créent des pertes ponctuelles souvent inévitables, mais multiples avec des conséquences similaires.

Les déperditions par transmission des ponts thermiques linéiques Ql sont proportionnelles :

  • au coefficient de transmission linéique ψ exprimé en W/m.K
  • à la longueur du pont thermique l exprimée en m
  • au même coefficient de réduction bt que les parois
  • aux mêmes degrés-heures, noté Gt que pour les parois

Ql = l * ψ * bt * Gt

Les déperditions par transmission des ponts thermiques ponctuels identiques Qx sont proportionnelles :

  • au coefficient de transmission linéique χ exprimé en W/K
  • à leur nombre
  • au même coefficient de réduction bt que les parois
  • aux mêmes degrés-heures Gt que pour les parois

Qx = n * χ * bt * Gt


Les déperditions totales par transmission

Le total des déperditions par transmission d'une construction Qt est donc au final la somme des déperditions surfaciques par les parois Qp, linéaires par les ponts thermiques linéiques Ql et ponctuelles par les systèmes de fixation Qx.

QT = Qp + Ql + Qx

Dans une maison passive, il peut exister des ponts thermiques, c'est même parfois inévitable, mais la somme de tous les ponts thermiques doit être nulle ou négative de manière à ne pas amplifier les déperditions inévitables par les parois seules. Ce n'est bien sûr pas le cas des maisons RT2012.

Les valeurs repères concernant la conductivité

Le rapport entre les conductivités des matériaux d'usage courant dans la construction dépasse un facteur 10 000. C'est le cas entre le cuivre et le polyuréthane. Les écarts sont toutefois généralement plus faibles. Le rapport entre le coefficient du béton qui est un des matériaux de maçonnerie les plus conducteurs, surtout s'il est armé, et le polyuréthane n'est plus que d'environ 100. L'isolation procurée par un seul petit centimètre de cet isolant est tout de même équivalente à celle procurée par 1m de béton !!! Faites donc le calcul avec 10cm… . Le rapport entre les coefficients d'isolation du bois, que certains considèrent isolant, et du polyuréthane est d'environ 6 soit, pour bien fixer les valeurs, le même ordre de grandeur que celui qui existe entre la vitesse d'une voiture et celle d'un avion de ligne !!! Bref, en dessous de 0,05m2.K/W, un matériau n'est pas un isolant.


Les valeurs repères concernant la résistance thermique

Les résistances thermiques des parois d'un projet varient principalement suivant le climat, la conception et le niveau de performance souhaité. Elles varient :

  • Au sol entre 5 et 7m2.K/W
  • En mur entre 3 et 8 m2.K/W
  • En toiture entre 6 et 10 m2.K/W
Il va sans dire que les valeurs les plus faibles sont celles de constructions RT2012 et les plus élevées celles des maisons passives. Ces différences attestent de la qualité supérieure de conception des maisons passives dont le besoin de chauffage est au minimum 4 fois inférieur aux constructions seulement RT2012.

Dans tous les cas, que la construction soit seulement RT2012, proche passif ou passive, ces valeurs ne sont qu'indicatives et seuls les calculs thermiques adaptés au concept permettront de les définir dans le cadre d'une conception globale.


En résumé :
  • La conductivité est la seule propriété thermique spécifique des matériaux qui permet de calculer les déperditions par transmission
  • Les déperditions par transmissions sont d'autant plus importantes que les matériaux sont conducteurs
  • L'augmentation des épaisseurs des matériaux réduit les pertes de chaleur par transmission
  • L'augmentation des surfaces augmente les pertes de chaleur par transmission

Jean-Michel Pupille - Architecte D.P.L.G.

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